Научная статья на тему 'Алгоритм анализа рельефа местности для осуществления вынужденной посадки воздушного судна'

Алгоритм анализа рельефа местности для осуществления вынужденной посадки воздушного судна Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
679
67
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДОПЛЕР / СПЕКТР / ИЗМЕРИТЕЛЬ / КООРДИНАТЫ / РЕЛЬЕФ / MUSIC / DOPPLER / SPECTRUM / MEASURING / COORDINATES / RELIEF

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Евдокимова Екатерина Олеговна

Рассматривается алгоритм определения параметров рельефа подстилающей поверхности, решается задача определения угловых координат и задача классификации препятствий в направлении движения воздушного судна при полете на малой высоте при заходе на вынужденную посадку. Для анализа отраженных радиолокационных сигналов используются современные методы спектральной оценки, проводится их сравнительный анализ. Формируется алгоритм работы бортового измерителя угловых координат препятствий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Евдокимова Екатерина Олеговна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ALGORITHM FOR LAY OF LAND ANALYSIS OF AIRCRAFT FORCED LANDING APPROACH

The algorithm of relief parameters determination of a spreading surface is considered, the problems of angular coordinates measurement and hindrances classification on aircraft driving direction are solved when aircraft is approaching forced landing on low altitude. The modern spectral estimation methods are used for the analysis of the reflected radar-tracking signals, their comparative analysis is carried out. The algorithm of work of an onboard measuring instrument of angular coordinates of obstacles is formed.

Текст научной работы на тему «Алгоритм анализа рельефа местности для осуществления вынужденной посадки воздушного судна»

2. Авилов AM. Цифровое моделирование пространственного компенсатора отражений от поверхности раздела сред // Матер. Междун. научн. конф. «Методы и алгоритмы принятия эффективных решений». Ч. 3. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - С. 4-9.

3. Авилов AM. Анализ обобщенной функции неопределенности в координатах «адержка и

» // . Междун. научн. конф. «Современные исследовательские и образовательные техноло-

гии». Ч. 4. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. - С. 4-12.

4. . ., . . -

тах «адержка и направление» для системы ортогональных по частоте зондирующих

// . . . . « -». . 4. - : - , 2010. - . 4-12.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Н.Е. Галушкин.

Авилов Артем Игоревич

Технологический институт федерального государственного автономного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: sheriff_from_lab@pochta.ru.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: +79281323914.

Кафедра теоретических основ радиотехники; аспирант.

Avilov Artyom Igorevich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: sheriff_from_lab@pochta.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: +79281323914.

The Department of Fundamentals of Radio Engineering; Postgraduate Student.

УДК 621.391.828

E.O. Евдокимова

АЛГОРИТМ АНАЛИЗА РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВЫНУЖДЕННОЙ ПОСАДКИ ВОЗДУШНОГО СУДНА

Рассматривается алгоритм определения параметров рельефа подстилающей поверх, -вий в направлении движения воздушного судна при полете на малой высоте при заходе на .

современные методы спектральной оценки, проводится их сравнительный анализ. Формируется алгоритм работы бортового измерителя угловых координат препятствий.

Дотер; спектр; оценки; измеритель; MUSIC; координаты; рельеф.

E.O. Evdokimov

ALGORITHM FOR LAY OF LAND ANALYSIS OF AIRCRAFT FORCED

LANDING APPROACH

The algorithm of relief parameters determination of a spreading surface is considered, the problems of angular coordinates measurement and hindrances classification on aircraft driving direction are solved when aircraft is approaching forced landing on low altitude. The modern spectral estimation methods are used for the analysis of the reflected radar-tracking signals, their comparative analysis is carried out. The algorithm of work of an onboard measuring instrument of angular coordinates of obstacles is formed.

Doppler; spectrum; measuring; MUSIC; coordinates; relief.

Известия ЮФУ. Технические науки

Нарушение работы двигателей, повреждение конструкции самолета, утечка топлива либо непредвиденные погодные условия могут стать причиной вынужденной посадки самолета. Бортовой измеритель предназначен для сбора информации о характере подстилающей поверхности. Сигнализирующая система должна информировать пилота о наличии опасных препятствий в направлении движения летательного аппарата в условиях ограниченной видимости. Типы опасных препятствий при вынужденной посадке: деревья, постройки, естественные неровности . , -садки необходимо провести анализ рельефа: определить координаты существующих препятствий и отметить ровные участки поверхности [1].

Анализ пространства в направлении полета осуществляется в диапазоне дальностей Д^п... Д^, где минимальное значение диапазона определяется выражением (1):

Дтш _ Д0+ ^обр (1)

где Д0 - минимальная безопасная дальность, /обр - время обработки отраженного сигнала, ус - скорость полета.

Максимальное значение диапазона дальностей Дтах выбирается с учетом длины тормозного пути самолета Дтах = От]п+ дТормоз. Минимальная безопасная даль- , , типа и размера самолета, а также от скорости движения. Допустимая крутизна маневра устанавливается из условия ограничения перегрузки для пилота - 4g. 4g

(# соответственно ускоре ние свободного падения, равное 9,

«- у2,

Я

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где Я - радиус кривизны траектории маневра (рис. 1),

м/с ). Перегрузка

Я =

а.

(2)

(3)

где ам - угол маневра, 1М

■ время маневра.

ч |

\

Рис. 1. Маневр летательного аппарата

Решение о совершении облета либо обхода препятствия принимается после , . , -тальной плоскости критерием для классификации препятствия, является выполнение неравенства: Н < Нтп, где Н - расстояние отклонения по горизонтали - дистанция между направлением полета и препятствием, согласно рис. 2, Нтп - минимальное значение расстояния отклонения Н, при котором возможен безопасный пролет без совершения маневра.

Значение Нт1п выбирается на основании информации о размерах летательного аппарата и условий перегрузки, которые вводят ограничение на максимальный ,

.

учитывать погрешность определения расстояния отклонения АН (рис. 1). Параметр Н определяется косвенно после определения дальности Б и угла отклонения а: Н = Б' 8ш(&).

Рис. 2. Пояснение к понятию опасного препятствия

Н :

дальности АБ и погрешности опр еделения азимута Да. В рамках текущего исследования рассмотрим влияние погрешности по углу. Аналогичным образом формируется критерий опасности препятствия при анализе угломестной координаты р для принятия решения о совершении маневра в вертикальной плоскости. Зависи-Н :

АН = Б

/ ( Ао] ( АоЛ = 2 Б • соз а- . Аа

8Ш ^ н - 81п о •81П

V V 2 У 1 2 ,1 ) 2

(4)

Высокое разрешение по азимуту обеспечивается использованием антенны с широкой апертурой в сочетании с современными методами обработки радиолока-. -зонтальной активной фазированной антенной решетки (АФАР) вдоль крыльев самолета согласно схеме на рис. 3, где L и й ширина раскрыва и база решетки соот-.

Рис. 3. Расположение апертуры АФАР

При таком расположении апертуры антенны для получения высокого разрешения по азимуту эффективно применить один из методов обработки сигналов на выходе многоканальной антенной системы на основе анализа корреляционной матрицы каналов. Корреляционная матрица определяется вектором пространственных отсчетов х огибающей эхо-сигнала R =<xxH>, где <> - усреднение по времени, ()н - операция Эрмитово сопряжение [2, 3].

Был проведен сравнительный анализ потенциальной точности нескольких методов оценки угловых координат на основе анализа корреляционной матрицы R, сформированной на выходе приемной антенной решетки и ее собственных векторов Vn. В процессе исследования была смоделирована работа следующих методов: оценка Бартлетта, MUSIC, оценка Кейпона, алгоритм теплового шума. Наилучшей потенциальной разрешающей способностью обладают последние три метода. Методы расчета пространственного спектра отражены в выражениях 5-8. Опорный вектор F0 характеризует плоскую волну, приходящую с одного из направлений из сектора обзора, вводится для формирования отсчетов спектра. Поворотом опорного вектора осуществляется математическое сканирование пространства [2-4].

P(0) = F0 RFo, (5)

Рш(в)= 1

MUSIC

рш(9): (ю) = -

Fo R-1 Fo’ 1 fh r 2 f

1 о 14 1 о

1

(6)

(7)

(8)

N

у V VH

nn

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

n=M +1

. 4.

На рис. 4 изображен пространственный спектр, полученный методом анализа собственных векторов К. Анализ спектра позволяет получить информацию об угловых координатах отражателей.

На рис. 5 представлены зависимости потенциальной разрешающей способности от числа элементов АР. Из анализа графика можно сделать вывод, что наилучшим разрешением из исследуемых методов обладает алгоритм теплового шума. Но данный метод связан с наибольшими аппаратными затратами. График зависимости временных затрат для расчета пространственного спектра приведен на рис. 6.

Рис. 5. Зависимость потенциальной разрешающей способности от числа антенных элементов (АЭ)

1200 О 1000

§

B00

ю

ей

Он

ю

600

§

с!

400

200

0

Алгоритм уеплово^о шума Оценка Бартлетта

Ме^од MUSIC

Оцйнка Кейпона

2

8 10 12 14

Число АЭ

16 1B

20

Рис. 6. Зависимость скорости обработки от числа АЭ

4

6

При зондировании поверхности вдоль направления полета в эхо-сигнале создается дополнительная «окраска» по частоте, что связано с собственным движением носителя измерителя.

Анализ спектра доплеровских смещений частоты позволяет косвенно измерить углы отклонения препятствий от направления полета. Для неподвижных целей доплеровская частота /д однозначно определяется их угловым положением относительно вектора путевой скорости носителя измерителя. В выражении 9

представлена зависимость между углом отклонения препятствия от курса ср и со-

ответствующим доплеровским смещением.

ф = агссо8(— • ), (9)

Тс 2у/

где - скорость полета самолета; /с - центральная частота заполнения излучаемых зондирующих импульсов; с - скорость света.

Оценка угла отклонения ср может быть оценкой угломестной координаты, если отражатели сосредоточены в угломестной плоскости в направлении полета. В , , дополнительно измерять азимут. Азимут а, угол мета Р и отклонение ср связанны геометрическим соотношением (10) [5]:

*8 2 (ф) = *8 2 (а) +18 2 (А). (10)

Алгоритм работы бортового измерителя изображен на рис. 7 [7, 8]. Перед обработкой накапливаются временные отсчеты огибающих радиосигналов на входе антенной системы Кд и К для доплеровского метода и пространственно-временной

.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

числу каналов антенной решетки. В блоке быстрого преобразования Фурье (БПФ) вычисляется частотный спектр сигнала. После пересчета доплеровских составляющих спектра в углы отклонения ср, значения углов поступают на индикатор.

Для оценки пространственного спектра осуществляется усреднение корреляционной матрицы по времени. Спектр формируется одним из алгоритмов MUSIC, EV, теплового шума или др. Максимумы пространственного спектра соответствуют направлениям на объекты в секторе обзора.

Накопление K$ временных

Накопление К временных

Усреднение выборки

Пересчет доплеровских частот в углы отклонения

Отклонение Ф

Азимут

Расчет угла места

tg (Р)= V tg 2 (ф)- tg 2 (а)

Рис. 7. Пространственно-доплеровский алгоритм совместного определения азимутальной и угломестной координат препятствий

В результате проделанной работы был синтезирован алгоритм совместного определения угломестной и азимутальной угловых координат методом оценки Доплеровского спектра и методом анализа пространственного спектра соответственно. Практическое применение алгоритма связано с полетом летательного аппарата на малой высоте при необходимости вынужденной посадки. Геометрия антенны в сочетании с современными методами обработки позволяет получить достаточно высокое разрешение по азимуту. Сочетание подходов одновременного анализа Доплеровского частотного и пространственного спектра позволяет наиболее полно использовать информацию, содержащуюся в эхосигнале.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. РЛС дистанционного зондирования земли. - М.: Радиотехника, 2005. - 370 с.

2. Марпл мл. СМ. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 584 с.

3. Канащенков А.И., Меркулов В.И. Защита радиолокационных систем от помех. - М.: Радиотехника, 2003. - 416 с.

4. Сергеенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2003. - 608 с.

5. . . -

странственно-временной обработки. Материалы международной научной конференции «Методы и алгоритмы принятия эффективных решений». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 5 с.

6. Евдокимова ЕЮ. Пространственно-доплеровский алгоритм слежения за рельефом. Материалы международной научно-технической и научно-методической конференции «Проблемы современной системотехники». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 4 с.

7. Евдокимова ЕЮ. Алгоритм слежения за рельефом местности с использованием пространственно- временной обработки. Материалы международной научной конференции «Методы и алгоритмы принятия эффективных решений». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - С. 5.

8. Евдокимова ЕЮ. Пространственно-доплеровский алгоритм слежения за рельефом. Материалы международной научно-технической и научно-методической конференции « ». - : - , 2009. - . 4.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Н.Е. Галушкин.

Евдокимова Екатерина Олеговна

Технологический институт федерального государственного автономного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный

федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: chandy@inbox.ru.

347930, г. Таганрог, ул. Кузнечная, 142, кв. 9.

Тел.: +79515074544. '

Кафедра теоретических основ радиотехники; аспирант.

Yevdokimova Katerina Olegovna

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational

Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: chandy@inbox.ru.

9, 142, Kuznechnaya Street, Taganrog, 347930, Russia.

Phone: +79515074544.

The Department of Fundamentals of Radio Engineering; Postgraduate Student.

УДК 621.391.1

ЕЛ. Апанасов, AT. Прыгунов, B.B. Слесарев

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИЁМА СЛУЖЕБНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЁННОСТИ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ В УСЛОВИЯХ «ИНФОРМАЦИОННОЙ ВОЙНЫ»

Задача обеспечения помехозащищённости и безопасности передаваемой информации в системах радиосвязи в настоящее время решается на этапе ведения связи, в то время как на этапе передачи служебной информации аппаратура подвержена воздействию преднамеренных помех. Целью предлагаемого способа является повышение помехозащищённости систем радиосвязи в условиях «информационной войны».

«Информационная война»; системы радиосвязи; служебная информация; нелинейные ; .

E.V. Apanasov, A.G. Prigunov, V.V. Slesarev

APPLICATION OF A WAY OF FORMATION AND RECEPTION OF THE OFFICE INFORMATION FOR NOISE IMMUNITY INCREASE RADIO COMMUNICATION SYSTEMS IN CONDITIONS OF “INFORMATION WAR”

The problem of maintenance of noise immunity and safety of transfer information in radio communication systems dares now at a stage of conducting communication while at a stage of transfer of the office information the equipment is subject to influence of deliberate hindrances. The purpose of an offered way is increase immunity increase radio communication systems in conditions of "information war».

«Information war»; radio communication systems; the office information; nonlinear sequences; optimum reception.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.